java 线程安全

要认识java线程安全，必须了解两个主要的点：java的内存模型，java的线程同步机制。特别是内存模型，java的线程同步机制很大程度上都是基于内存模型而设定的。

正文

java内存模型 

       不同的平台，内存模型是不一样的，但是jvm的内存模型规范是统一的。其实java的多线程并发问题最终都会反映在java的内存模型上，所谓线程安全无非是要控制多个线程对某个资源的有序访问或修改。总结java的内存模型，要解决两个主要的问题：可见性和有序性。我们都知道计算机有高速缓存的存在，处理器并不是每次处理数据都是取内存的。JVM定义了自己的内存模型，屏蔽了底层平台内存管理细节，对于java开发人员，要清楚在jvm内存模型的基础上，如果解决多线程的可见性和有序性。
       那么，何谓可见性？ 多个线程之间是不能互相传递数据通信的，它们之间的沟通只能通过共享变量来进行。Java内存模型（JMM）规定了jvm有主内存，主内存是多个线程共享的。当new一个对象的时候，也是被分配在主内存中，每个线程都有自己的工作内存，工作内存存储了主存的某些对象的副本，当然线程的工作内存大小是有限制的。当线程操作某个对象时，执行顺序如下：
 (1) 从主存复制变量到当前工作内存 (read and load)
 (2) 执行代码，改变共享变量值 (use and assign)
 (3) 用工作内存数据刷新主存相关内容 (store and write)

JVM规范定义了线程对主存的操作指令：read，load，use，assign，store，write。当一个共享变量在多个线程的工作内存中都有副本时，如果一个线程修改了这个共享变量，那么其他线程应该能够看到这个被修改后的值，这就是多线程的可见性问题。
        那么，什么是有序性呢 ？线程在引用变量时不能直接从主内存中引用,如果线程工作内存中没有该变量,则会从主内存中拷贝一个副本到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该副本。当同一线程再度引用该字段时,有可能重新从主存中获取变量副本(read-load-use),也有可能直接引用原来的副本 (use),也就是说 read,load,use顺序可以由JVM实现系统决定。
        线程不能直接为主存中中字段赋值，它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign),完成后这个变量副本会同步到主存储区(store- write)，至于何时同步过去，根据JVM实现系统决定.有该字段,则会从主内存中将该字段赋值到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该变量副本，当同一线程多次重复对字段赋值时,比如：

Java代码  

1. for(int i=0;i<10;i++)   
2.  a++;  

线程有可能只对工作内存中的副本进行赋值,只到最后一次赋值后才同步到主存储区，所以assign,store,weite顺序可以由JVM实现系统决定。假设有一个共享变量x，线程a执行x=x+1。从上面的描述中可以知道x=x+1并不是一个原子操作，它的执行过程如下：
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x加1
3 将x加1后的值写回主 存
如果另外一个线程b执行x=x-1，执行过程如下：
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x减1
3 将x减1后的值写回主存 
那么显然，最终的x的值是不可靠的。假设x现在为10，线程a加1，线程b减1，从表面上看，似乎最终x还是为10，但是多线程情况下会有这种情况发生：
1：线程a从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x值为10
2：线程b从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x值为10
3：线程a将工作内存中x加1，工作内存中x值为11
4：线程a将x提交主存中，主存中x为11
5：线程b将工作内存中x值减1，工作内存中x值为9
6：线程b将x提交到中主存中，主存中x为9 
同样，x有可能为11，如果x是一个银行账户，线程a存款，线程b扣款，显然这样是有严重问题的，要解决这个问题，必须保证线程a和线程b是有序执行的，并且每个线程执行的加1或减1是一个原子操作。看看下面代码：

Java代码  

1. public class Account {   
2.   
3.     private int balance;   
4.   
5.     public Account(int balance) {   
6.         this.balance = balance;   
7.     }   
8.   
9.     public int getBalance() {   
10.         return balance;   
11.     }   
12.   
13.     public void add(int num) {   
14.         balance = balance + num;   
15.     }   
16.   
17.     public void withdraw(int num) {   
18.         balance = balance - num;   
19.     }   
20.   
21.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {   
22.         Account account = new Account(1000);   
23.         Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");   
24.         Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");   
25.         a.start();   
26.         b.start();   
27.         a.join();   
28.         b.join();   
29.         System.out.println(account.getBalance());   
30.     }   
31.   
32.     static class AddThread implements Runnable {   
33.         Account account;   
34.         int     amount;   
35.   
36.         public AddThread(Account account, int amount) {   
37.             this.account = account;   
38.             this.amount = amount;   
39.         }   
40.   
41.         public void run() {   
42.             for (int i = 0; i < 200000; i++) {   
43.                 account.add(amount);   
44.             }   
45.         }   
46.     }   
47.   
48.     static class WithdrawThread implements Runnable {   
49.         Account account;   
50.         int     amount;   
51.   
52.         public WithdrawThread(Account account, int amount) {   
53.             this.account = account;   
54.             this.amount = amount;   
55.         }   
56.   
57.         public void run() {   
58.             for (int i = 0; i < 100000; i++) {   
59.                 account.withdraw(amount);   
60.             }   
61.         }   
62.     }   
63. }  

第一次执行结果为10200，第二次执行结果为1060，每次执行的结果都是不确定的，因为线程的执行顺序是不可预见的。这是java同步产生的根源，synchronized关键字保证了多个线程对于同步块是互斥的，synchronized作为一种同步手段，解决java多线程的执行有序性和内存可见性，而volatile关键字之解决多线程的内存可见性问题。后面将会详细介绍。

synchronized关键字 

        上面说了，java用synchronized关键字做为多线程并发环境的执行有序性的保证手段之一。当一段代码会修改共享变量，这一段代码成为互斥区或临界区，为了保证共享变量的正确性，synchronized标示了临界区。典型的用法如下：

Java代码  

1. synchronized(锁){   
2.      临界区代码   
3. }   

为了保证银行账户的安全，可以操作账户的方法如下：

Java代码  

1. public synchronized void add(int num) {   
2.      balance = balance + num;   
3. }   
4. public synchronized void withdraw(int num) {   
5.      balance = balance - num;   
6. }  

刚才不是说了synchronized的用法是这样的吗：

Java代码  

1. synchronized(锁){   
2. 临界区代码   
3. }  

那么对于public synchronized void add(int num)这种情况，意味着什么呢？其实这种情况，锁就是这个方法所在的对象。同理，如果方法是public  static synchronized void add(int num)，那么锁就是这个方法所在的class。
        理论上，每个对象都可以做为锁，但一个对象做为锁时，应该被多个线程共享，这样才显得有意义，在并发环境下，一个没有共享的对象作为锁是没有意义的。假如有这样的代码：

Java代码  

1. public class ThreadTest{   
2.   public void test(){   
3.      Object lock=new Object();   
4.      synchronized (lock){   
5.         //do something   
6.      }   
7.   }   
8. }  

lock变量作为一个锁存在根本没有意义，因为它根本不是共享对象，每个线程进来都会执行Object lock=new Object();每个线程都有自己的lock，根本不存在锁竞争。
        每个锁对象都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列，就绪队列存储了将要获得锁的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程，当一个被线程被唤醒 (notify)后，才会进入到就绪队列，等待cpu的调度。当一开始线程a第一次执行account.add方法时，jvm会检查锁对象account 的就绪队列是否已经有线程在等待，如果有则表明account的锁已经被占用了，由于是第一次运行，account的就绪队列为空，所以线程a获得了锁，执行account.add方法。如果恰好在这个时候，线程b要执行account.withdraw方法，因为线程a已经获得了锁还没有释放，所以线程 b要进入account的就绪队列，等到得到锁后才可以执行。
一个线程执行临界区代码过程如下：
1 获得同步锁
2 清空工作内存
3 从主存拷贝变量副本到工作内存
4 对这些变量计算
5 将变量从工作内存写回到主存
6 释放锁
可见，synchronized既保证了多线程的并发有序性，又保证了多线程的内存可见性。

生产者/消费者模式 

        生产者/消费者模式其实是一种很经典的线程同步模型，很多时候，并不是光保证多个线程对某共享资源操作的互斥性就够了，往往多个线程之间都是有协作的。
        假设有这样一种情况，有一个桌子，桌子上面有一个盘子，盘子里只能放一颗鸡蛋，A专门往盘子里放鸡蛋，如果盘子里有鸡蛋，则一直等到盘子里没鸡蛋，B专门从盘子里拿鸡蛋，如果盘子里没鸡蛋，则等待直到盘子里有鸡蛋。其实盘子就是一个互斥区，每次往盘子放鸡蛋应该都是互斥的，A的等待其实就是主动放弃锁，B 等待时还要提醒A放鸡蛋。
如何让线程主动释放锁
很简单，调用锁的wait()方法就好。wait方法是从Object来的，所以任意对象都有这个方法。看这个代码片段：

Java代码  

1. Object lock=new Object();//声明了一个对象作为锁   
2.    synchronized (lock) {   
3.        balance = balance - num;   
4.        //这里放弃了同步锁，好不容易得到，又放弃了   
5.        lock.wait();   
6. } 

如果一个线程获得了锁lock，进入了同步块，执行lock.wait()，那么这个线程会进入到lock的阻塞队列。如果调用 lock.notify()则会通知阻塞队列的某个线程进入就绪队列。
声明一个盘子，只能放一个鸡蛋

 

Java代码  

1. import java.util.ArrayList;   
2. import java.util.List;   
3.   
4. public class Plate {   
5.   
6.     List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();   
7.   
8.     public synchronized Object getEgg() {   
9.         while(eggs.size() == 0) {   
10.             try {   
11.                 wait();   
12.             } catch (InterruptedException e) {   
13.             }   
14.         }   
15.   
16.         Object egg = eggs.get(0);   
17.         eggs.clear();// 清空盘子   
18.         notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列   
19.         System.out.println("拿到鸡蛋");   
20.         return egg;   
21.     }   
22.   
23.     public synchronized void putEgg(Object egg) {   
24.         while(eggs.size() > 0) {   
25.             try {   
26.                 wait();   
27.             } catch (InterruptedException e) {   
28.             }   
29.         }   
30.         eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋   
31.         notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列   
32.         System.out.println("放入鸡蛋");   
33.     }   
34.        
35.     static class AddThread extends Thread{   
36.         private Plate plate;   
37.         private Object egg=new Object();   
38.         public AddThread(Plate plate){   
39.             this.plate=plate;   
40.         }   
41.            
42.         public void run(){   
43.             for(int i=0;i<5;i++){   
44.                 plate.putEgg(egg);   
45.             }   
46.         }   
47.     }   
48.        
49.     static class GetThread extends Thread{   
50.         private Plate plate;   
51.         public GetThread(Plate plate){   
52.             this.plate=plate;   
53.         }   
54.            
55.         public void run(){   
56.             for(int i=0;i<5;i++){   
57.                 plate.getEgg();   
58.             }   
59.         }   
60.     }   
61.        
62.     public static void main(String args[]){   
63.         try {   
64.             Plate plate=new Plate();   
65.             Thread add=new Thread(new AddThread(plate));   
66.             Thread get=new Thread(new GetThread(plate));   
67.             add.start();   
68.             get.start();   
69.             add.join();   
70.             get.join();   
71.         } catch (InterruptedException e) {   
72.             e.printStackTrace();   
73.         }   
74.         System.out.println("测试结束");   
75.     }   
76. } 

 执行结果：

Html代码  

1. 放入鸡蛋   
2. 拿到鸡蛋   
3. 放入鸡蛋   
4. 拿到鸡蛋   
5. 放入鸡蛋   
6. 拿到鸡蛋   
7. 放入鸡蛋   
8. 拿到鸡蛋   
9. 放入鸡蛋   
10. 拿到鸡蛋   
11. 测试结束  

声明一个Plate对象为plate，被线程A和线程B共享，A专门放鸡蛋，B专门拿鸡蛋。假设
1 开始，A调用plate.putEgg方法，此时eggs.size()为0，因此顺利将鸡蛋放到盘子，还执行了notify()方法，唤醒锁的阻塞队列的线程，此时阻塞队列还没有线程。
2 又有一个A线程对象调用plate.putEgg方法，此时eggs.size()不为0，调用wait()方法，自己进入了锁对象的阻塞队列。
3 此时，来了一个B线程对象，调用plate.getEgg方法，eggs.size()不为0，顺利的拿到了一个鸡蛋，还执行了notify()方法，唤醒锁的阻塞队列的线程，此时阻塞队列有一个A线程对象，唤醒后，它进入到就绪队列，就绪队列也就它一个，因此马上得到锁，开始往盘子里放鸡蛋，此时盘子是空的，因此放鸡蛋成功。
4 假设接着来了线程A，就重复2；假设来料线程B，就重复3。 
整个过程都保证了放鸡蛋，拿鸡蛋，放鸡蛋，拿鸡蛋。

volatile关键字 

       volatile是java提供的一种同步手段，只不过它是轻量级的同步，为什么这么说，因为volatile只能保证多线程的内存可见性，不能保证多线程的执行有序性。而最彻底的同步要保证有序性和可见性，例如synchronized。任何被volatile修饰的变量，都不拷贝副本到工作内存，任何修改都及时写在主存。因此对于Valatile修饰的变量的修改，所有线程马上就能看到，但是volatile不能保证对变量的修改是有序的。什么意思呢？假如有这样的代码：

Java代码  

1. public class VolatileTest{   
2.   public volatile int a;   
3.   public void add(int count){   
4.        a=a+count;   
5.   }   
6. }  

当一个VolatileTest对象被多个线程共享，a的值不一定是正确的，因为a=a+count包含了好几步操作，而此时多个线程的执行是无序的，因为没有任何机制来保证多个线程的执行有序性和原子性。volatile存在的意义是，任何线程对a的修改，都会马上被其他线程读取到，因为直接操作主存，没有线程对工作内存和主存的同步。所以，volatile的使用场景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:
1)对变量的写操作不依赖于当前值。
2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中 
volatile只保证了可见性，所以Volatile适合直接赋值的场景，如

Java代码  

1. public class VolatileTest{   
2.   public volatile int a;   
3.   public void setA(int a){   
4.       this.a=a;   
5.   }   
6. }  

在没有volatile声明时，多线程环境下，a的最终值不一定是正确的，因为this.a=a;涉及到给a赋值和将a同步回主存的步骤，这个顺序可能被打乱。如果用volatile声明了，读取主存副本到工作内存和同步a到主存的步骤，相当于是一个原子操作。所以简单来说，volatile适合这种场景：一个变量被多个线程共享，线程直接给这个变量赋值。这是一种很简单的同步场景，这时候使用volatile的开销将会非常小。